杨涛
大唐华银攸县能源有限公司 株洲 攸县
摘要：通过对汽轮机抽真空系统的探讨和其加装蒸汽喷射器的浅析，可以进一步了解汽轮机 抽真空系统加装蒸汽喷射器减少汽轮机的机械效率损失，提高热循环效率的原理。
关键词：汽轮机 抽真空系统 蒸汽喷射器 热循环 效率
前言
汽轮机主要作为热力发电厂带动发电机的原动机使用，是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。而为了保证汽轮机正常工作，吸收乏汽在凝汽器放出的凝结热并保护较低的凝结温度，就必须将凝汽器壳侧的空气抽出，减少蒸汽对汽轮机做的有用功，控制乏汽在空气中凝结放热的恶化，提高热循环效率。
1汽轮机简述
汽轮机主要由转动部分(转子)和固定部分(静体或静子)组成。转动部分包括叶栅、叶轮或转子、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件。固定部件包括气缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套(或静叶持环)、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关紧固零件等，见图1。
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图1.汽轮机发动机装置示意
1电站锅炉2汽轮机3凝汽器5凝结水6低压加热器7除氧器8给水泵9高压热水器
套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别制造的，然后将它们热套(过盈配合)在主轴上，并用键传递力矩。套装转子的结构如图2所示。
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图2.套装转子结构
油封环 2-油封套 3-轴 4-动叶槽 5-叶轮 6-平衡槽
汽轮机是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。在汽轮机中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。高速汽流流经动叶片时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。
为了调节汽轮机的功率和转速，每台汽轮机有一套由调节装置组成的调节系统。另外，汽轮机是高速旋转设备，它的转子和定子间隙很小，是既庞大又精密的设备。为保证汽轮机安全运行，配有一套自动保护装置，以便在异常情况下发出警报，在危急情况下自动关闭主汽阀，使之停运。调节系统和保护装置常用压力油来传递信号和操纵有关部件。汽轮机的各个轴承也需要油润滑和冷却，因而每台汽轮机都配有一套润滑油系统。
总之，汽轮机设备是以汽轮机为核心，包括凝汽设备、回热加热设备、调节和保护装置及供油系统等附属设备在内的一系列动力设备组合。正是靠它们协调有序地工作，才得以完成能量转换的任务。
2乏汽的产生
来自蒸汽发生器的高温高压蒸汽经主汽阀、调节阀进入汽轮机。由于汽轮机排汽口的压力大大低于进汽压力，蒸汽在这个压差作用下向排汽口流动，其压力和温度逐渐降低，部分热能转换为汽轮机转子旋转的机械能。做完功的蒸汽称为乏汽，从排汽口排入凝汽器，在较低的温度下凝结成水，此凝结水由凝结水泵抽出送经蒸汽发生器构成封闭的热力循环。为了吸收乏汽在凝汽器放出的凝结热，并保护较低的凝结温度，必须用循环水泵不断地向凝汽器供应冷却水。由于汽轮机的尾部和凝汽器不能绝对密封，其内部压力又低于外界大气压，因而会有空气漏入，最终进入凝汽器的壳侧。若任空气在凝汽器内积累，凝汽器内压力必然会升高，导致乏汽压力升高，减少蒸汽对汽轮机做的有用功，同时积累的空气还会带来乏汽凝结放热的恶化，这两者都会导致热循环效率的下降，因而必须将凝汽器壳侧的空气抽出。
3抽真空系统
对于凝气式汽轮组，由于需要在汽轮机的气缸内和凝气器中建立一定的真空，正常运行时也需要不断地将不同途径漏入的不凝结气体从凝汽器内抽出。真空系统就是用来建立和维持汽轮机组低背压和凝汽器的真空。低压部分的轴封和低压加热器也依靠真空抽气系统正常工作才能建立相应的负压或真空。
抽真空系统的作用有二点：（1）在机组启动初期建立凝汽器真空；（2）在机组正常运行中保持凝汽器真空，确保机组的安全经济运行。凝汽器的抽真空设备主要有抽气器和真空泵。抽气器抽真空系统，由于其系统简单、工作可靠，所以被广泛地应用于国产大、中型机组上。真空泵抽真空系统具有以下优点：（1）运行经济。在启动工况下，低真空的抽吸能力远远大于射水抽气器在同样吸人压力的抽吸能力，大大缩短了机组的启动时间。（2）汽水损失较小。（3）泵组运行自动化程度高，操作安全、简便。另外，还有噪声小，结构紧凑等。其缺点是一次性投资大。但由于其明显的优越性，真空泵的抽真空系统被普遍应用于引进型机组。
但是使用一般的真空泵，运行中真空泵会出现出力低、叶轮裂纹、汽蚀等问题。即使增加了工作液制冷机，解决了夏季冷却水温偏高，真空泵因工作液温度高而抽吸能力严重不足的问题，但冬季运行中，真空泵的极限真空不高，仍出现低压侧抽吸能力不足，不能维持较高真空的情况。
为避免出现低背压凝汽器真空低的情况，在低压侧凝汽器抽真空母管上，增加一套可单独运行的多级蒸汽喷射器抽真空系统，确保低压侧凝汽器保持高真空状态。
现代发电厂中，应用最为广泛的是喷射式抽气器，它具有布置紧凑、结构简单、维护方便、工作可靠，以及能在短时间内建立所需真空等优点。喷射式抽气器根据工作介质不同可分成射汽式抽气器和射水式抽气器。这两种抽气器的原理基本相同，区别只是工作介质不同。射汽抽气器的工作介质是压力蒸汽，射水抽气器的工作介质是压力水。小容量机组多采用射汽式。
4蒸汽喷射真空器
蒸汽喷射器是提高流体压力而不直接消耗机械能的设备，因其结构简单可靠、运转费用低廉而得到广泛应用，如真空系统、制冷循环、火箭和喷气飞机的推进系统，乃至核电厂的核心冷却系统等。蒸汽喷射真空器是通过蒸汽射流,抽出容器内的空气,使容器具有一定的真空。具体是利用流体来传递能量和质量的真空获得装置，采用有一定压力的水流通过对称均布成一定侧斜度的喷咀喷出，聚合在一个焦点上。由于喷射水流速特别高，将压力能转变为速度能，使吸气区压力降低产生真空。数条高速水流将被抽吸的气体攫走，经过文氏管收缩段与喉径充分混合压缩，进行分子扩散能量交换，速度均衡。在经扩张段速度降低压力增高，大于大气压力从出口喷入蓄水罐（池）中，不凝性气体析出。水经离心泵循环使用，完成吸气工艺。而多级蒸汽喷射器真空系统的极限抽气能力是液环真空泵的2~3倍，且不受外部冷却水温的影响，能保持不同工况下凝汽器的最佳设计背压状态，使到机组得以最经济的运行。
5汽轮机抽真空系统加装蒸汽喷射器的意义
以国电安顺第二发电有限公司国电安顺电厂两台300MW超临界机组和华电包头电厂华电包头电厂1#机组（600MW）为例。夏季在工作水温为30℃时，真空泵内工作液温度达到40℃，运行中该真空泵出现出力低、汽蚀等问题严重，冬季出现低压侧抽吸能力不足，不能维持较高真空的情况。现在低压侧凝汽器抽真空母管上，增加一套可单独运行的多级蒸汽喷射器抽真空系统，确保低压侧凝汽器保持高真空状态。多级蒸汽喷射器真空系统的极限抽气能力是液环真空泵的2~3倍，且不受外部冷却水温的影响，能保持不同工况下凝汽器的最佳设计背压状态，使到机组得以最经济的运行。
加装蒸汽喷射器抽真空系统后，当机组真空严密性大于120Pa/min时，夏季在真空泵工作水温度为30℃以上时，机组真空平均提高0.3 kPa，冬季真空凝汽器冷却水温低于15°C，预计凝汽器低压侧真空能够提高0.3 kPa以上。600MW机组真空每提高1kPa节约煤耗2.36 g/(KW.H)，机组真空提高后煤耗下降0.708g/kW.h。蒸汽喷射装置需消耗动力蒸汽，由于每消耗1吨0.4MPa的动力蒸汽影响煤耗增加0.17g/kW.h，消耗0.9t/h的动力蒸汽将会影响机组煤耗增加0.153g/kW.h。蒸汽喷射装置改造后综合煤耗下降0.555 g/kW.h。
由此可见，蒸汽喷射器虽然结构简单，但其设备内部气体的超音速混合过程非常复杂，存在着激波、边界层、剪切层的交互作用，混合机理尚不清楚。现有的设计理论大都采用半经验半理论的办法，误差较大。在工程实践中，蒸汽喷射器仍存在着运行不稳定、动态调节性能差、设计性能与实际性能不一致等问题。因而，对蒸汽喷射器的理论机理进行深入研究，完善喷射器一维设计理论，从而为操作条件及结构参数的优化设计提供理论依据，实现喷射系数、压缩比、膨胀比、(火用)效率、性能系数、投资费用的最佳匹配，具有重要的学术价值及工程意义。
总结
汽轮机抽真空系统加装蒸汽喷射装置完善与提高了汽轮机组的工作性能，减少汽轮机的机械效率损失，提高热循环效率，具有一定的先进性，是真空冷凝设备的一种革新。
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